1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Машины и технология литейного производства» ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА Лабораторный практикум для студентов специальности 1-36 02 01 «Машины и технология литейного производства» дневной и заочной формы обучения Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области металлургического оборудования и технологий Минск БНТУ 2016 2 УДК 621.74(075.8) ББК 34.61я73 Т33 С о с т а в и т е л и : Д. М. Кукуй, В. А. Скворцов Р е ц е н з е н т ы : В. А. Стасюлевич, канд. техн. наук, проректор по учебной работе ГУ "«Институт повышения квалификации и переподготовки руководителей и специалистов промышленности «Кадры индустрии»"; С. Л. Ровин, канд. техн. наук, доцент УО «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого» Теория и технология литейного производства: лабораторный практикум для студентов специальности 1-36 02 01 «Машины и технология литейного производства» дневной и заочной формы обучения / сост.: Д. М. Кукуй, В. А. Скворцов. – Минск : БНТУ, 2016. – 65 с. ISBN 978-985-550-539-7. Содержатся методические указания по самостоятельной подготовке к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теория и технология литейного производства». Приведены требования к оформлению отчетов о выполненных работах и перечень вопросов, на которые необходимо ответить при защите лабораторных работ. УДК 621.74(075.8) ББК 34.61я73 ISBN 978-985-550-539-7 © Белорусский национальный технический университет, 2016 Т33 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................... 4 ОРГАНИЗАЦИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ................................................................ 4 ИНСТРУКЦИЯ ПО МЕРАМ БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНЕ ТРУДА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ............. 5 Лабораторная работа № 1. Определение марки формовочного песка ........................................................................... 8 Лабораторная работа № 2. Определение марки бентонитовой и каолинитовой формовочной глины ............................................. 16 Лабораторная работа № 3. Исследование влияния времени перемешивания на технологические свойства смеси .................... 24 Лабораторная работа № 4. Определение текучести формовочных и стержневых смесей ............................................... 28 Лабораторная работа № 5. Определение технологических свойств противопригарных покрытий ............................................ 32 Лабораторная работа № 6. Исследование влияния влагосодержания на физико-механические и технологические свойства формовочной смеси .......................................................... 38 Лабораторная работа № 7. Изучение влияния количества жидкого стекла и времени продувки углекислым газом на физико-механические свойства жидкостекольных смесей ..... 43 Лабораторная работа № 8. Изучение свойств жидких самотвердеющих смесей .................................................................. 48 Лабораторная работа № 9. Изучение технологического процесса изготовления литейных стержней в нагреваемой оснастке .......... 54 Лабораторная работа № 10. Исследование влияния количества связующего материала и отвердителя на кинетику твердения холоднотвердеющих смесей ............................................................ 58 4 ВВЕДЕНИЕ Лабораторные работы по дисциплине «Теория и технология литейного производства» составлены в соответствии с учебной про- граммой подготовки студентов по специальности «Машины и тех- нология литейного производства» Целью проведения лабораторных работ является закрепление теоретического материала курса и ознакомление студента на прак- тике с методами и приборами проведения испытаний формовочных материалов и смесей, а также приобретение навыков в проведении и оформлении законченных экспериментальных работ. Данный лабораторный практикум состоит из 10 лабораторных ра- бот, каждая из которых носит исследовательский характер и содержит необходимые теоретические сведения, описание методик, оборудова- ния, приборов, материалов для проведения работ, а также методиче- ские указания по содержанию отчета и вопросы для самопроверки. ОРГАНИЗАЦИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ В основу каждой лабораторной работы положены параллельное выполнение работ и принцип максимальной самостоятельности студентов. Началу работ предшествует вводная беседа, в которой студенты получают инструктаж по технике безопасности и расписываются в соответствующем журнале. Перед выполнением очередной работы преподаватель проверяет подготовку студентов к занятиям, сообщает некоторые теоретические сведения, относящиеся к данной работе, знакомит с безопасными при- емами работы на приборах и оборудовании. Лабораторные работы проводятся под руководством преподавателя и при участии лаборанта. По окончании работы все подгруппы обмениваются полученными результатами исследований, заносят их в соответствующие таблицы и приступают к обработке и анализу данных. Затем составляется отчет, содержание которого указано в каждой лабораторной работе и кото- рый сдается преподавателю перед началом следующей работы. Студенты, пропустившие лабораторную работу, выполняют ее в конце семестра, вне расписания, по свободному графику. Студент, не защитивший в установленный срок лабораторные работы, не получает зачет и к экзамену не допускается. 5 ИНСТРУКЦИЯ ПО МЕРАМ БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНЕ ТРУДА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 1. К выполнению лабораторных работ в учебной лаборатории допускаются студенты: – прошедшие медицинское освидетельствование и по состоянию здоровья допущенные к учебе; – прошедшие инструктаж по мерам безопасности и охране труда при проведении лабораторных работ с обязательным оформлением в журнале. 2. Студенты обязаны: – соблюдать правила внутреннего распорядка БНТУ, утвержден- ные приказом ректора от 27.05.2002 № 2208; – не курить в лаборатории; – не распивать прохладительные напитки, не принимать пищу на местах проведения лабораторных работ; – соблюдать правила санитарной и личной гигиены; – выполнять только ту лабораторную работу, которая задана преподавателем и предусмотрена учебным планом, безопасные спо- собы выполнения которой ему известны; – выполнять лабораторную работу только с теми приборами и оборудованием, которые указаны в инструкции по выполнению со- ответствующей лабораторной работы; – знать безопасные методы и приемы обращения с приборами и оборудованием при выполнении данной лабораторной работы. 3. Допуск студентов в кабинет (лабораторию) осуществляется с разрешения преподавателя (лаборанта). 4. Число студентов в лаборатории не должно превышать количе- ства индивидуальных учебных мест. 5. Перед выполнением каждой лабораторной работы студенту необходимо получить у преподавателя допуск к ее выполнению, под- тверждая этим усвоение теоретического материала. Студенты не получившие допуск, к выполнению лабораторной работы не до- пускаются. 6. Студентам запрещается: – работать в лаборатории в отсутствии преподавателя или лаборан- та, а также в неустановленное время без разрешения преподавателя; 6 – выполнять в учебной лаборатории (кабинете) эксперименталь- ные работы, не связанные с выполнением задания; – загромождать посторонними предметами столы, а также под- ступы и проходы к противопожарному инвентарю и выходам из помещений (в том числе аварийным). 7. Студенты должны извещать преподавателя (лаборанта) о лю- бой ситуации, угрожающей жизни и здоровью окружающих, о каж- дом несчастном случае, произошедшем во время занятий, а также об ухудшении состояния своего здоровья, в том числе о проявлении признаков острого заболевания, о замеченных неисправностях при- боров и оборудования и до их устранения к выполнению лабора- торной работы не приступать. 8. Приступая к выполнению лабораторной работы, необходимо: – усвоить методику выполнения лабораторной работы, правила ее безопасного выполнения; – методы и приемы безопасного обращения с приборами и обо- рудованием, меры безопасности при выполнении данной лабора- торной работы; – ознакомиться с экспериментальной установкой; – получить у преподавателя допуск к выполнению лабораторной работы, подтверждая этим усвоение теоретического материала. 9. Включение используемых приборов и оборудования произво- дят преподаватель или инженер. Только после того, как они убедят- ся в исправности приборов и правильности их сборки, можно при- ступать к выполнению лабораторной работы. 10. При выполнении лабораторной работы необходимо: – строго соблюдать правила обращения с используемыми прибо- рами или оборудованием; – не наклоняться к ним близко, не передавать через них какие- либо предметы и не опираться на них; – замену любого элемента установки, присоединение или разъ- единение разъемных соединений производить только при отклю- ченном электропитании под наблюдением преподавателя или ин- женера. Повторное включение оборудования и приборов произво- дить только после проверки преподавателем или инженером исправности приборов и правильности их подключения; – быть внимательным, соблюдать порядок, не вмешиваться в ра- боту соседних бригад, не отвлекать их посторонними разговорами; 7 – не включать приборы и оборудование, выполнение лаборатор- ных работ на которых не предусмотрено заданием. Не оставлять без присмотра включенное оборудование. 11. Во избежание несчастных случаев запрещается выполнять лабораторные работы с приборами и оборудованием, если в лабора- тории находится один человек. Перед уходом, даже на короткое время, источник нагрева должен быть выключен. Если по условиям лабораторной работы нельзя пре- кращать нагрев, наблюдение за лабораторной работой и нагревом на время отсутствия обучающегося должно быть поручено другому лицу. 12. На учебном месте выполнения лабораторной работы необхо- димо поддерживать порядок. 13. При возникновении признаков неисправности прибора, а так- же при всяких затруднениях при выполнении лабораторных работ следует немедленно обращаться к преподавателю или инженеру. 14. Об окончании выполнения лабораторной работы необходимо доложить инженеру или преподавателю. Отключение аппаратуры и приборов от электросети производят преподаватель или инженер. 15. По окончании привести в порядок учебное место выполнения лабораторных работ. 16. Обо всех недостатках, обнаруженных во время выполнения лабораторной работы, сообщить преподавателю или инженеру. 17. В случае возникновения аварийной ситуации следует немед- ленно прекратить работу. 18. О случае травмы или внезапного заболевания, ухудшения са- мочувствия необходимо сообщить преподавателю, инженеру (лабо- ранту) и обратиться за медицинской помощью в здравпункт либо в учреждение здравоохранения. 19. При возникновении пожара или загорания студент обязан немедленно сообщить об этом в городскую пожарную службу по телефону 101, указав адрес объекта и что горит. 8 Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ ФОРМОВОЧНОГО ПЕСКА Цель работы: ознакомить студентов с основными стандартными методами исследования формовочных песков. Общие сведения Основной составляющей формовочных и стержневых смесей яв- ляются формовочные пески. Основой формовочного песка является кварц (SiO2). В зависимости от массовой доли глинистой составляющей, под которой понимают частицы глинистых материалов, обломки зерен кварца и других мине- ралов размером менее 22 мкм, формовочные пески подразделяют на кварцевые (К), тощие (Т), жирные (Ж) (ГОСТ 2138–91). Кварцевые и тощие формовочные пески подразделяют на группы в зависимости от массовой доли глинистой составляющей, содер- жания диоксида кремния, коэффициента однородности и среднего размера зерен, а жирные – от предела прочности при сжатии во влажном состоянии и среднего размера зерна. В кварцевых песках доля глинистой составляющей не должна превышать 2 %. Группы кварцевых песков приведены в табл. 1.1–1.4. Таблица 1.1 Таблица 1.2 Группа Массовая доля глини- стой составляющей, %, не более Группа Массовая доля глини- стой составляющей, %, не более 1 2 3 4 5 0,2 0,5 1,0 1,5 2,0 К1 К2 К3 К4 К5 99,0 98,0 97,0 95,0 93,0 Таблица 1.3 Таблица 1.4 Группа Коэффициент однород-ности, % Группа Средний размер зерна, мм О1 О2 О3 О4 О5 Св. 80,0 От 70,0 до 80,0 От 60,0 до 70,0 От 50,0 до 60,0 До 50,0 01 016 02 025 03 До 0,14 От 0,14 до 0,18 От 0,19 до 0,23 От 0,24 до 0,28 Св. 0,28 9 В тощих песках содержание глинистой составляющей колеблет- ся от 2,0 до 12,0 %. Группы тощих песков приведены в табл.1.3–1.6. Таблица 1.5 Таблица 1.6 Группа Массовая доля глини- стой составляющей, %, не более Группа Массовая доля диоксида кремния, %, не менее 1 2 3 4,0 8,0 12,0 Т1 Т2 Т3 96,0 93,0 90,0 Жирные пески содержат от 12,0 до 50,0 % глинистой составля- ющей. Группы жирных песков приведены в табл. 1.4 и 1.7. Таблица 1.7 Группа Предел прочности на сжатие во влаж-ном состоянии, МПа Ж1 Ж2 Ж3 Св. 0,08 От 0,05 до 0,08 До 0,05 При маркировке кварцевых и тощих формовочных песков исполь- зуют следующее обозначение: на первом месте располагается группа массовой доли глинистой составляющей, на втором – группа массо- вой доли диоксида кремния, на третьем месте – группа коэффициента однородности и на четвертом – группа среднего размера зерна. П р и м е р 3К2О3016 – кварцевый формовочный песок с массовой долей гли- нистой составляющей от 0,5 до 1,0 %, массовой долей диоксида кремния не менее 98 %, коэффициентом однородности от 60 до 70 % и средним размерном зерна от 0,14 до 0,18 мм. 1Т3О102 – тощий формовочный песок с массовой долей глини- стой составляющей не более 4,0 %, массовой долей диоксида крем- ния не менее 90,0 %, коэффициентом однородности свыше 80,0 %, средним размером зерна от 0,19 до 0,23 мм. Ж301 – жирный формовочный песок с пределом прочности на сжатие во влажном состоянии не более 0,05 МПа и средним разме- ром зерна до 0,14 мм. 10 Кварцевые формовочные пески должны соответствовать показа- телям по массовой доле влаги, концентрации водородных ионов водной вытяжки (рН), массовой доле вредных примесей, форме зе- рен, значения которых приведены в табл.1.8–1.11. Таблица 1.8 Таблица 1.9 Группа Массовая доля влаги, %, не более Группа рН Сухие Влажные Сырые 0,5 4,0 6,0 Кислые Нейтральные Щелочные До 6,2 От 6,2 до 7,0 Св.7.0 Таблица 1.10 Таблица 1.11 Группа Массовая доля вредных примесей, %, не более Группа Коэффициент угловатости, ед., %, не более Оксиды: Na2O, K2O, CaO, MgO Оксиды железа Fe2O3 Очень низкая Низкая Средняя Высокая Очень высокая 0,40 0,80 1,20 1,60 2,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Округлая Полу- округлая Угловатая 1,10 1,25 1,40 По теоретической удельной поверхности и газопроницаемости кварцевые и тощие формовочные пески подразделяют на группы, приведенные в табл. 1.12, 1.13. Таблица 1.12 Таблица 1.13 Группа Теоретическая удель- ная поверхность, м2/кг, не менее Группа Газопроницаемость, м2/Пас, не менее Высокая Средняя Низкая 15 10 5 Очень высокая Высокая Средняя Низкая Очень низкая 550 350 200 100 30 По потере массы при прокалывании формовочные пески подраз- деляют на группы, указанные в табл. 1.14. 11 Таблица 1.14 Группа Потеря массы при прокаливании, %, не более Высокая Средняя Низкая 0,2 1,0 3,0 Массовая доля сульфидной серы в кварцевых формовочных пес- ках должна не превышать 0,05 % и не иметь посторонних включе- ний: агломератов кварцитов и кварцевых песчаников, остатков рас- тительных слоев, угля, торфа, известняка. В работе будут рассмотрены некоторые методы испытаний фор- мовочных песков. Определение массовой доли глинистой составляющей – по ГОСТ 29234.1. Определение коэффициентов однородности и среднего размера зерна – по ГОСТ 29234.3. Определение газопроницаемости – по ГОСТ 29234.13. Определение формы зерен песка – по ГОСТ 29234.12. Определение глинистых частиц Оборудование, инструмент, материалы: шкаф сушильный, ве- сы лабораторные; аппарат для определения глинистых частиц; трубка U-образная; мешалка лабораторная; сосуд стеклянный емко- стью 1 дм3; палочка деревянная или стеклянная диаметром 4–6 мм; печь муфельная Т = 1000 оС; чаша кварцевая; эксикатор; песок кварцевый; пирофосфат натрия 10 г/дм3; вода техническая. Порядок выполнения работы От исследуемого песка отбирают две навески массой по 50 г каж- дая. Одну навеску помещают в кварцевую чашку, высушивают при температуре 105–110 оС и переносят в эксикатор для охлаждения. Вто- рая навеска высыпается в сосуд аппарата, в который заливается вода в объеме 475 см3 и пирофосфата натрия 25 см3. Сосуд закрывается проб- кой, устанавливается на мешалку лабораторную, и его содержимое взбалтывается в течение часа. После этого сосуд снимают с мешалки и содержимое переносят в стакан аппарата для автоматического отде- ления глинистых частиц, выполняя указания инструкции к аппарату. 12 Если аппарат отсутствует, то сосуд доливают водой до 150 мм от дна, перемешивают палочкой и дают отстояться в течение 10 мин, затем с помощью U-образной трубки сливают воду. Операцию от- мучивания повторяют два раза. При образовании хлопьев в верхнем слое сосуда их удаляют в слив с помощью U-образной трубки. В третий раз доливают водой до того же уровня. Содержимое пере- мешивают палочкой и дают отстояться в течение 5 мин. Затем воду сливают. Эта операция повторяется до тех пор, пока вода в сосуде после 5-минутного отстаивания не станет прозрачной. Остаток со- держимого сосуда переносят количественно в кварцевую чашку и после 5-минутного отстаивания сливают воду. Осадок высушива- ют при температуре 105–110 оС и помещают в эксикатор для охла- ждения. Затем охлажденные обе навески помещают в муфельную печь и прокаливают при температуре 1000 оС в течение 1 ч, после чего охлаждают и взвешивают. Массу первой навески в процентах определяют по формуле  1 2 1 ( ) 100 , m m m x m   где m – масса навески песка, г; m1 – масса чаши с навеской песка до прокаливания, г; m2 – масса чаши с навеской после прокаливания, г. Массу остаточную второй навески в процентах вычисляют по формуле 1 2 100 ,mx m  %, где m1 – масса чаши с навеской песка после прокаливания, г; m – масса навески песка, г. Массовая доля глинистой составляющей определяется по формуле 1 2x x x  , %, где х1 – остаточная масса в процентах первой навески; х2 – остаточная масса в процентах второй навески. Ускоренный метод можно применять при определении массовой доли глинистых частиц в тощих песках. От исследуемого песка бе- рется навеска массой 20 г и помещается в сосуд для кипячения, 13 наливается вода в количестве 300 см3 и содержимое кипятится в течение 5 мин. Затем в сосуд доливают еще 200 см3 воды, вода взбалтывается мешалке в течение 10 мин. После взбалтывания в сосуд доливают воду до объема 1000 см3, перемешивают содер- жимое палочкой и дают отстояться в течение 10 мин. По истечении времени воду сливают U-образной трубкой. Отмучивание повторя- ют. В третий раз сосуд доливают водой и содержимое перемешива- ют палочкой, дают отстояться 5 мин. Снова сливают воду. Опера- цию повторяют до тех пор, пока вода в сосуде после 5-минутного отстаивания не станет прозрачной. Осадок из сосуда количественно переносят в кварцевую чашу, после отстаивания сливают воду и высушивают при температуре 105–110 оС. При наличии органических примесей производят про- калку осадка при температуре 1000 оС в течение часа. Охлажденный песок взвешивают. Массовую долю глинистых частиц определяют по формуле 1 100,m mx m   где m – масса навески песка, г; m1 – масса чаши с навеской песка после отмучивания, г. Определение среднего размера зерна и коэффициента однородности Оборудование, инструмент, материалы: прибор для определе- ния гранулометрического состава; комплект сит; весы лаборатор- ные; кисть мягкая; песок кварцевый. Порядок выполнения работы Навеску песка после отделения от нее массовой доли глинистых частиц помещают на верхнее сито комплекта, который собран в по- рядке уменьшения стороны ячейки сита. Рассев песка ведут в течение 15 мин, после чего прибор выклю- чают и производят разборку комплекта сит. С каждого сита остаток 14 песка переносят на глянцевую бумагу, при этом с помощью кисти тщательно очищают сито и песок взвешивают. Массовую долю остатка песка на ситах в процентах определяют по формуле 1 100,mx m   где m1 – масса остатка песка, г; m – масса исходной навески песка на сите, г. Полученные результаты заносятся в табл. 1.15 для определения среднего размера зерна и коэффициента однородности. Таблица 1.15 Размер сторон ячейки сита в свету, мм Остаток на сите, г Остаток на сите, % Частицы размером меньше сторон ячейки сита, % 2,50 1,60 1,00 0,63 0,40 0,315 0,20 0,16 0,10 0,063 0,050 Тазик Всего 0 0 0,1 0,4 1,80 4,60 18,75 8,90 11,60 2,35 0,15 0,05 48,70 0 0 0,2 0,8 3,7 9,5 38,5 18,3 23,8 4,8 0,3 0,1 100,00 100 100 98,8 99,0 95,3 85,8 47,3 29,0 5,2 0,4 0,1 0 По полученным данным строят интегральную кривую распреде- ления частиц по размерам, для чего по оси абсцисс в логарифмиче- ском масштабе откладывают размер сторон ячеек сетки в свету, а по оси ординат в линейном масштабе – количество частиц, меньшее данного размера, в процентах. 15 Средний размер зерна (Dср) соответствует размеру сторон ячеек, через который проходит 50 % песчаной основы. Для определения коэффициента однородности (O) по интеграль- ной кривой находят процентное содержание частиц размером меньше 4/3 Dср и 2/3 Dср. Коэффициент однородности равен разно- сти этих значений (рис. 1.1). Рис. 1.1. Интегральная кривая Содержание отчета 1. Характеристика формовочных песков. 2. Описание определения глинистой составляющей. 3. Описание определения среднего размера песка. 4. Результаты полученных исследований. 5. Выводы по каждому разделу работы. Вопросы для самопроверки 1. Какими показателями характеризуются формовочные пески? 2. Какие показатели характеризуют марку песка? 3. Расшифровать марку песка, предложенную преподавателем. 4. Каков порядок определения глинистой составляющей? 5. Как производится определение среднего размера песка? 6. Чем характеризуется форма зерен песка? 7. Как строится интегральная кривая? 8. Какие бывают формовочные пески и чем они отличаются друг от друга? 16 Лабораторная работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ БЕНТОНИТОВОЙ И КАОЛИНИТОВОЙ ФОРМОВОЧНОЙ ГЛИНЫ Цель работы: экспериментальное определение основных харак- теристик формовочных глин. Приборы и материалы: приборы для определения прочности на сжатие во влажном и сухом состоянии, прочности на разрыв в зоне конденсации влаги; копер лабораторный; весы лабораторные с пре- делом взвешивания 500 г с погрешностью 100 мг; смеситель лабо- раторный; сушильная печь, муфельная печь; эксикатор; фарфоровая испарительная чаша; песок кварцевый марок (1-2)К1-2О1-302, бенто- нитовый порошок, огнеупорная глина, вода с рН = 6,0–7,0. Общие сведения Основными связующими материалами в песчано-глинистых сме- сях (ПГС) являются формовочные глины, способные образовывать с водой пластичный материал, который вместе с зернами наполни- теля придает формовочным смесям необходимые свойства, и в пер- вую очередь прочностные. Прочность ПГС зависит от следующих параметров формовочной глины: минералогического и химического состава, вида и количества примесей, дисперсности частиц, коллои- дальности, а также количества и состава присоединенных катионов. В зависимости от минерального состава формовочные глины разделяют на три вида: бентонитовые, каолинитовые и полимине- ральные (табл. 2.1). Таблица 2.1 Виды формовочных глин Вид глин Основной породообразующий минерал Содержание основного породообразующего минерала, %, не менее Бентонитовая Монтмориллонит 70 Каолинитовая и каолинито- гидрослюдистая Каолинит и гид- рослюда 70 Полиминеральная и прочие мономинеральные Не выявляется – 17 Наибольшее применение в составах ПГС нашли бентонитовые глины, основным минералом которых является монтмориллонит, имеющий химическую формулу Al2O34SiO2H2OnH2O и пакетное строение (рис. 2.1, г). Отличительной особенностью монтморилло- нита является его способность к набуханию в воде с увеличением своего объема в 10–12 раз. Это связано с расстоянием между пакета- ми, которое равно 21·10–10 м. Каждый пакет состоит из трех слоев. Между двумя слоями кремнекислородных тетраэдров (рис. 2.1, б) внутри пакета расположен слой алюмогидроксильных октаэдров (рис. 2.1, а). Внутри слоистого пакета монтмориллонита связь между атомными группами осуществляется при помощи главных валентно- стей, тогда как между пакетами – слабыми силами Ван-дер-Ваальса, что и обусловливает большую способность бентонита к набуханию. Рис. 2.1. Схема кристаллических решеток глинистых минералов: а – октаэдр; б – тетраэдр; в – решетка каолинита; г – решетка монтмориллонита Атомы кремния и алюминия, расположенные в центрах тетраэд- ров и октаэдров, могут замещаться атомами других металлов мень- шей валентности с образованием у частиц монтмориллонита отрица- тельного заряда. Наличие этих зарядов приводит к адсорбции катио- нов на поверхности частиц монтмориллонита, способных замещаться другими катионами. Это явление называется катионообменом. В монтмориллонитовых глинах способностью к катионообмену обладают не только внешние, но и внутрислоевые поверхности } ( ) Кремнекислородный слой Алюмогидроксильный слой " " Кремнекислородный слой 10Межпакетное растояние 21 10 Пакет ü¬ ïïïï¬ ýïïï¬ ïþ -⋅ } ( ) Алюмогидроксильный слой " "Кремнекислородныйслой 10Межпакетное растояние 2 10 Пакетü¬ ïïýï¬ ïþ -⋅ } 1021 10 м-⋅ } 1021 10 м-⋅ 18 пакетов. Гидратация указанных поверхностей, а также диссоциация и гидратация обменных катионов являются причинами связывания воды бентонитами. Суммарное содержание катионов на поверхности частиц монт- мориллонита называется емкостью обменных катионов. Поскольку эта величина весьма мала, ее выражают в особых единицах – мил- лиграмм-эквивалентах (мг-экв) в расчете на 100 г сухого материала. Если в обменном комплексе преобладают одновалентные катио- ны щелочных металлов Na+ и K+, то такой бентонит называется н а т р и е в ы м. Если же в обменном комплексе преобладают двухвалентные катионы щелочно-земельных металлов Са+ и Mg+, то такой бентонит называется к а л ь ц и е в ы м. По связующим свойствам лучшим из них является натриевый бентонит. Натриевый бентонит обладает хорошими связующими свойства- ми и обеспечивает высокую сырую, сухую и горячую прочность формовочной смеси. Это позволяет вводить в смесь меньшее коли- чество связующего и воды, а следовательно, и уменьшить газотвор- ную способность смеси. В свою очередь, пониженная газотворность смесей на основе натриевого бентонита дает возможность исполь- зовать в их составе пески с более мелким размером зерна, что по- ложительно сказывается на чистоте поверхности отливок. Наряду с высокими связующими свойствами бентонит обладает способностью сильно набухать в присутствии воды. Это свойство обусловливает пониженную текучесть и затрудненную выбивае- мость смесей. Кроме того, максимальное использование прочност- ных свойств натриевого бентонита требует более длительного пе- ремешивания формовочной смеси, чем при использовании других типов связующего. Марка бентонитовых глин включает в себя: буквенное обозначение прочности при сжатии во влажном со- стоянии: П – прочная, С – среднепрочная, М – малопрочная; цифровое – предела прочности при разрыве в зоне конденсации влаги: 1 – высокосвязующая, 2 – связующая, 3 – среднесвязующая, 4 – малосвязующая; буквенное с индексом – термической устойчивости: Т1 – высоко- устойчивая, Т2 – среднеустойчивая, Т3 – низкоустойчивая (табл. 2.2). В составах ПГС, используемых для получения крупных чугун- ных и стальных отливок, применяют формовочные огнеупорные 19 глины, основным породообразующим минералом которых является каолинит, имеющий химическую формулу Al22SiO2H2O. Таблица 2 .2 Физико-механические показатели бентонитовых глин Марка Предел прочности при сжатии, Па (кгс/см2), не менее Предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги, Па (кгс/см2), не менее Термическая устойчивость, единицы, не менее П1Т1 8,826104 (0,9) 0,275104 (0,028) 0,6 П1Т2 8,826104 (0,9) 0,275104 (0,028) 0,3 П1Т3 8,826104 (0,9) 0,275104 (0,028) – П2Т1 8,826104 (0,9) 0,196104 (0,020) 0,6 П2Т2 8,826104 (0,9) 0,196104 (0,020) 0,3 П2Т3 8,826104 (0,9) 0,196104 (0,020) – П3Т1 8,826104 (0,9) 0,147104 (0,015) 0,6 П3Т2 8,826104 (0,9) 0,147104 (0,015) 0,3 П3Т3 8,826104 (0,9) 0,147104 (0,015) – П4Т1 8,826104 (0,9) – 0,6 П4Т2 8,826104 (0,9) – 0,3 П4Т3 8,826104 (0,9) – – С1Т1 6,865104 (0,7) 0,275104 (0,028) 0,6 С1Т2 6,865104 (0,7) 0,275104 (0,028) 0,3 С1Т3 6,865104 (0,7) 0,275104 (0,028) – С2Т1 6,865104 (0,7) 0,196104 (0,020) 0,6 С2Т2 6,865104 (0,7) 0,196104 (0,020) 0,3 С2Т3 6,865104 (0,7) 0,196104 (0,020) – С3Т1 6,865104 (0,7) 0,147104 (0,015) 0,6 С3Т2 6,865104 (0,7) 0,147104 (0,015) 0,3 С3Т3 6,865104 (0,7) 0,147104 (0,015) – С4Т1 6,865104 (0,7) – 0,6 С4Т2 6,865104 (0,7) – 0,3 С4Т3 6,865104 (0,7) – – М1Т1 4,903104 (0,5) 0,275104 (0,028) 0,6 М1Т2 4,903104 (0,5) 0,275104 (0,028) 0,3 М1Т3 4,903104 (0,5) 0,275104 (0,028) – М2Т1 4,903104 (0,5) 0,196104 (0,020) 0,6 М2Т2 4,903104 (0,5) 0,196104 (0,020) 0,3 М2Т3 4,903104 (0,5) 0,196104 (0,020) – М3Т1 4,903104 (0,5) 0,147104 (0,015) 0,6 20 Окончание табл. 2.2 Марка Предел прочности при сжатии, Па (кгс/см2), не менее Предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги, Па (кгс/см2), не менее Термическая устойчивость, единицы, не менее М3Т2 4,903104 (0,5) 0,147104 (0,015) 0,3 М3Т3 4,903104 (0,5) 0,147104 (0,015) – М4Т1 4,903104 (0,5) – 0,6 М4Т2 4,903104 (0,5) – 0,3 М4Т3 4,903104 (0,5) – – Кристаллическая решетка минерала каолинита (см. рис. 2.1, в) состоит из двух слоев: алюмогидроксильного и кремнекислородно- го, образующих пакет. Ввиду того, что отдельные пакеты каолини- товой глины соприкасаются плоскостями различных атомов (кисло- рода и гидроксидов), они образуют достаточно прочную водородную связь. При увлажнении каолинитовой глины такие пакеты плохо рас- щепляются и слабо набухают. Это объясняется тем, что межпакетное расстояние каолинитовой глины составляет около 210–10 м, а радиус молекулы воды – 1,4510–10 м, вследствие чего проникновение воды в межпакетный зазор затруднительно. Формовочные огнеупорные глины должны соответствовать тре- бованиям ГОСТ 3226–93 и техническим условиям на глины кон- кретных месторождений (табл. 2.3). Таблица 2.3 Физико-механические показатели каолинитовых глин Марка Предел прочности при сжатии, кПа, не менее во влажном состоянии в сухом состоянии П1 П2 П2 С1 С2 С3 М1 М2 М3 50 50 50 35 35 35 20 20 20 350 250 150 350 250 150 350 250 150 21 Марка каолинитовой глины включает в себя: буквенное обозначение прочности при сжатии во влажном со- стоянии: П – прочная, С – среднепрочная, М – малопрочная; цифровое – предел прочности при сжатии в сухом состоянии: 1 – высокосвязующая, 2 – среднесвязующая, 3 – малосвязующая. Порядок выполнения работы Каждая группа студентов исследует по два образца бентонитово- го порошка и изучает сж, к, Т и два образца огнеупорной глины, опреде-ляя сж в сыром и сухом состоянии. Определение марки бентонитовой глины Приготовить 2 кг смеси, состоящей из 95 частей песка и 5 частей бентонитовой глины, перемешивая ее в течение 2 мин в лаборатор- ном катковом смесителе. Затем добавить 50 мл воды и перемешать увлажненную смесь в течение 10 мин. Из приготовленной смеси изготовить три образца в цилиндриче- ской гильзе размером 50  50 мм, на лабораторном копре трехкрат- ным ударом, испытать их на приборе для определения прочности и определить среднеарифметическое значение трех испытаний. В специальной металлической гильзе с отрывным кольцом на лабораторном копре изготовить три образца размером 50  50 мм и испытать их на приборе для определения прочности при разрыве в зоне конденсации влаги, определить среднеарифметическое значе- ние трех испытаний. Определить термическую устойчивость бентонита, для чего навес- ку глины массой по 200 г поместить в выпарительную чашу, которую установить в предварительно нагретую до температуры 550 оС му- фельную печь и прокалить в течение часа. После прокаливания ча- шу с глиной поместить в эксикатор и выдержать до комнатной тем- пературы. Приготовить два состава смесей по 2 кг с исходной и прокаленной глиной, после чего изготовить сырые образцы и ис- пытать их прочность при сжатии. 22 Рассчитать термическую устойчивость по формуле 1 2 T   , где 1 – предел прочности при сжатии во влажном состоянии с про- каленной глиной, МПа; 2 – предел прочности при сжатии во влажном состоянии с ис- ходной глиной, МПа. По результатам испытаний определить марку бентонитовой гли- ны по табл. 2.3. Определение марки каолинитовой глины Приготовить 2 кг смеси, состоящей из 95 частей песка и 5 частей каолинитовой глины, перемешать ее в течение 2 мин в лаборатор- ном катковом смесителе. Затем добавить 50 мл воды и перемешать увлажненную смесь в течение 10 мин. Из приготовленной смеси на лабораторном копре изготовить шесть стандартных цилиндрических образцов трехкратным ударом груза. Три образца испытать на приборе для определения прочности в сыром состоянии и рассчитать среднеарифметическое значение трех испытаний. Три образца поместить в предварительно нагретый до 180 оС сушильный шкаф и выдержать их в течение 1,5 ч. Образцы извлечь из сушильного шкафа, охладить на воздухе до комнатной темпера- туры и определить прочность при сжатии в сухом состоянии. Рас- считать среднеарифметическое значение трех испытаний. По результатам испытаний определить марку каолинитовой гли- ны согласно табл. 2.3. Содержание отчета 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Методика проведения работы. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 23 Вопросы для самопроверки 1. Разновидности формовочных глин. 2. Как маркируются глины? 3. Механизм формирования вяжущих свойств формовочных глин. 4. Методика определения марки глины. 5. Схемы кристаллических решеток глинистых минералов. 24 Лабораторная работа № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВРЕМЕНИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМЕСИ Цель работы: экспериментально установить зависимость техно- логических свойств смеси от режима смесеприготовления. Приборы и материалы: катковый смеситель, прибор для опре- деления прочности на сжатие в сыром состоянии; копер лаборатор- ный; гильза для изготовления стандартных цилиндрических образ- цов; весы лабораторные; песок кварцевый; бентонитовая глина; во- да с рН = 6,0–7,0. Общие сведения Процесс приготовления смесей для разовых форм и стержней за- ключается в смешивании твердых (наполнитель, порошкообразные добавки) и жидких (связующее, растворитель) составляющих. При пе- ремешивании составляющих смеси на поверхностях частиц напол- нителя образуются пленки связующего, объединяющие между со- бой смежные зерна. Связывание разрозненных зерен наполнителя в единую систему (смесь) обусловлено возникновением сил сцепле- ния между поверхностью зерен и пленкой связующего (адгезией), а также наличием сил связи между частицами самого связующего вещества (когезией). Применительно к условиям приготовления формовочных и стержневых смесей процесс смесеприготовления может быть условно разделен на собственно перемешивание, обволакивание и активацию, которые в зависимости от режима совершаются по- следовательно или одновременно. Смесеобразованию обычно сопутствуют весьма важные в техно- логическом отношении физико-химические явления. Так, при сме- шивании кварцевого песка с водой ее молекулы ориентируются определенным образом по отношению к ионам, расположенным на поверхности зерен кварца, покрывая их слоем «жесткой» воды и образуя водородные связи. При сближении увлажненных зерен водные оболочки вступают в электростатическое взаимодействие, связывая между собой эти зерна. 25 Еще более сложные процессы происходят при взаимодействии наполнителя и многокомпонентных связующих (бентонитовых, смоляных, жидкостекольных и др.). В идеальном случае при сме- шивании каждое зерно наполнителя должно быть окружено обо- лочкой связующего. В общем случае приготовление формовочной смеси представляет собой процесс образования термодинамически устойчивой скелетной системы коагуляционного типа. При неизменном составе и отсут- ствии химических взаимодействий она обратима по прочности, т. е. может многократно разрушаться и восстанавливаться. Таким обра- зом, процесс перемешивания – это непрерывное разрушение коагу- ляционных контактов, сопровождающееся ростом межфазной по- верхности раздела «связующее–наполнитель» за счет более равно- мерного распределения связующего по объему смеси и более полного обволакивания зерен наполнителя. Важным элементом сме- сеприготовления является порядок ввода составляющих смеси. Первым после наполнителя вводится твердый порошкообразный материал (глина, отвердитель, специальные добавки). При смешива- нии этот материал вследствие возникновения поверхностного элек- тростатического заряда (трибоэффекта) равномерно распределяется по поверхности наполнителя при минимальных энергозатратах. Вторым вводится жидкое связующее. Если оно состоит из не- скольких компонентов, то первым вводится материал, обладающий меньшим краевым углом смачивания. Последующее распределение в смеси вещества с большим краевым углом смачивания потребует меньших энергозатрат, поскольку происходит по слою жидкости, функционирующему как смазка. Важными технологическими факторами, определяющими как эффективность процесса смесеприготовления, так и качество смеси, являются содержание в ней связующего материала и длительность перемешивания компонентов. Говоря об оптимальной длительности перемешивания компонентов, следует иметь в виду, что макси- мально высокие свойства смесь приобретает только в период рав- номерного распределения пленки связующего по поверхности зерен наполнителя, т. е. в этот период все контакты зерен огнеупорного наполнителя смеси имеют пленку связующего материала. Увеличение продолжительности смешивания сверх оптимальной приводит к тому, что получаемая системой энергия начинает расхо- 26 доваться не на формирование требуемой структуры смеси, а на уда- ление воды или растворителя из пленки связующего. Это приводит к появлению в связующей системе внутренних напряжений, ослаб- ляющих когезионные и адгезионные связи и, как следствие, к паде- нию прочности и других физико-механических свойств приготавли- ваемых смесей. Порядок выполнения работы Приготовить 1 кг смеси, состоящей из 95 частей кварцевого пес- ка и 5 частей бентонитовой глины, перемешать смесь в течение 2 мин в лабораторном катковом смесителе. Затем добавить 30 мл воды и перемешать смесь в течение 10 мин. Из приготовленного состава отобрать смесь для изготовления трех стандартных цилиндрических образцов (50  50) на лабораторном копре трехкратным ударом груза, испытать на приборе для опреде- ления газопроницаемости не извлекая образец из гильзы, после чего извлечь образец из гильзы и испытать его прочность на сжатие. Смесь от разрушенных образцов снова загрузить в бегуны и пе- ремешивать в течение 10 мин. Операции приготовления смеси и образцов, а также определение ее свойств повторять через каждые 10 мин до тех пор, пока прочность образцов не начнет снижаться. Определить среднеарифметическое значение испытаний образ- цов после каждого времени перемешивания и свести их в таблицу. По полученным в работе данным построить график: по оси ординат отложить значения прочности на сжатие и газопроницаемости, а оси абсцисс – время перемешивания. Содержание отчета 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Методика проведения работы. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 27 Вопросы для самопроверки 1. Что входит в состав формовочных смесей? 2. В чем заключается процесс приготовления смесей? 3. Как распределяется связующее на поверхности огнеупорного наполнителя? 4. Перечислите факторы, оказывающие влияние на качество смеси. 5. Объясните, почему зависимость прочности от времени пере- мешивания имеет экстремальный характер. 6. В каком порядке вводятся компоненты в смеситель? 7. Как газопроницаемость зависит от времени перемешивания? 28 Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕКУЧЕСТИ ФОРМОВОЧНЫХ И СТЕРЖНЕВЫХ СМЕСЕЙ Цель работы: ознакомление с методами определения текучести формовочных и стержневых смесей в зависимости от их вида. Приборы и материалы: прибор для определения текучести ЖСС с гильзой и основанием; весы с пределом взвешивания 500 г с погрешностью 10 мл; смеситель лабораторный лопастной; смеси- тель лабораторный для химически твердеющих смесей (ХТС); ла- бораторный миксер; прибор для определения формуемости; цилин- дрическая гильза для стандартных образцов (50  50) с вкладышем; твердомер для сырых смесей; песок кварцевый (1-2)К1-2О1-202; гли- на бентонитовая; смола фенолоформальдегидная; жидкое стекло; феррохромовый шлак; поверхностно-активное вещество (ПАВ). Общие сведения Текучесть характеризует внутреннее трение или сопротивление сдвигу смеси при ее деформации в направлении, перпендикулярном к направлению приложения нагрузки. Применительно к качеству уплотнения текучесть характеризует способность смеси уплотнять- ся с максимальной степенью равномерности по всему объему фор- мы или стержня. Сопротивление сдвигу для связносыпучей среды приближенно описывается законом Кулона: сд tg ,g p c   где р – нормальное давление; φ – угол внутреннего трения; с – сцепление. Угол внутреннего трения φ в большой степени связан с грануло- метрией песка, формой зерен, т. е. со свойствами огнеупорного напол- нителя, и для формовочных смесей находится в интервале 20–50о. Значение сцепления с обусловлено силами адгезионно- когезионного взаимодействия зерен огнеупорного наполнителя, 29 покрытых пленкой связующего, т. е. зависит от свойств самого свя- зующего (вязкости, поверхностного натяжения, адгезии к наполните- лю, предельного напряжения сдвига). Сцепление оказывает наиболь- шее влияние на текучесть. Косвенно о текучести можно судить по прочности смеси во влажном состоянии. В зависимости от величины прочности во влажном состоянии формовочные и стержневые сме- си подразделяются на пластичные, имеющие прочность свыше 0,007 МПа, сыпучие с прочностью до 0,007 МПа и жидкие, которые заполняют форму или полость стержневого ящика под действием гра- витационных сил и практически не обладают начальной прочностью. Для определения текучести пла- стичных смесей используется метод, основанный на определении соот- ношения твердости уплотненной смеси в точках А и В (рис. 4.1). Текучесть смеси рассчитывается по формуле НТ 100 %,Н А В  (4.1) где НА, НВ – твердость образца в точках А и В соответственно. Текучесть жидких самотвердею- щих смесей (ЖСС) оценивают по диаметру расплыва определенного объема смеси. Для этого применя- ют металлическую гильзу высотой 150 мм и внутренним диаметром 100 мм, которая устанавливается в центр градуированного основания. После заполнения гильзы исследуемой смесью избыток смеси снимается линейкой, после чего гильза резко поднимается, а смесь растекается по поверхности основания. Замеряются диаметры по двум перпендикулярным осям, затем находится средний диаметр, который характеризует текучесть смеси (рис. 4.2). Рис. 4.1. Схема определения текучести смеси при статическом уплотнении 30 Рис. 4.2. Схема определения текучести ЖСС: а – начало испытаний; б – конец испытаний Порядок выполнения работы Определение текучести пластичных смесей Приготовить 2 кг смеси, состоящей из 95 % кварцевого песка и пяти частей бентонитовой глины, перемешивая смесь в течение 2 мин в лабораторном катковом смесителе. Затем добавить 50 мл воды и перемешать увлажненную смесь в течение 10 мин. Из приготовленной смеси в цилиндрической гильзе с вкладышем изготовить три образца на лабораторном копре трехкратным сту- пенчатым ударом. Установить гильзу на выталкиватель и твердоме- ром замерить твердость на верхней площадке в точке А. Затем вы- давить образец из гильзы на величину вкладыша, извлечь его и за- мерить твердость в точке В. Рассчитать среднеарифметическое значение твердости в точке А и точке В. По формуле (4.1) рассчи- тать значение текучести смеси. Определение текучести ЖСС Приготовить 2 кг смеси, состоящей из 95 % кварцевого песка (1-2)К1-2О1-202, 5 % феррохромового шлака (ФХШ) и 7 % (сверх 100 %) жидкой композиции. В состав жидкой композиции входят 5 % жидко- го стекла, 0,15 % ПАВ и вода до плотности композиции 1300 кг/м3. Приготовление ЖСС производится в следующем порядке. В шнековый смеситель засыпается кварцевый песок и ФХШ, и пе- ремешивание продолжается 2 мин. Затем готовится жидкая компо- зиция, составляющие которой смешиваются на лабораторном мик- сере в течение 5 мин. Готовая жидкая композиция подается в сме- ситель до получения жидкой смеси. 31 Готовая смесь заливается в чистую гильзу, установленную в центр градуированного основания, а излишки смеси срезаются ме- таллической линейкой. Гильза с основанием устанавливается на прибор для определения текучести ЖСС и включается кнопкой подъема гильзы. После подъема гильзы определяется диаметр рас- плыва смеси по делениям на градуированном основании. Содержание отчета 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Методика проведения работы. 5. Результаты работы. 6. Выводы. Вопросы для самопроверки 1. Что такое текучесть смеси? 2. Как определяется сопротивление сдвигу и от чего оно зависит? 3. Как подразделяются смеси по прочности во влажном состоянии? 4. Каков порядок определения текучесть пластичных смесей? 5. В каком порядке вводятся компоненты в смеситель при изго- товлении ЖСС? 6. Как определяется текучесть ЖСС? 32 Лабораторная работа № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОТИВОПРИГАРНЫХ ПОКРЫТИЙ Цель работы: изучить влияние состава противопригарных по- крытий на их технологические свойства. Приборы и материалы: лабораторный миксер; весы с пределом взвешивания 500 г с погрешностью ±100 мг; прибор для определе- ния прочности красочного слоя на истирание; вискозиметр ВЗ-4; набор денсиметров; мерный цилиндр емкостью 200 мл; химический стакан емкостью 1 л; шкаф сушильный с терморегулятором; пла- стины кварцевые; микрометр 0-25 мм; секундомер; огнеупорные наполнители; связующие, стабилизаторы, растворители. Общие сведения Одним из самых распространенных дефектов поверхности отли- вок является пригар, удаление которого значительно увеличивает трудоемкость операций обрубки и очистки. Пригар представляет собой продукт физико-химического взаимодействия на границе раздела расплавленного металла и материала формы, плотно удер- живаемый на поверхности отливки и состоящий из зерен формо- вочного материала и цементирующего вещества. В зависимости от природы цементирующего вещества различают три вида пригара: 1) механический, в котором цементирующим веществом являет- ся металл, проникший в поры формы; 2) химический, в котором цементирующим веществом являются продукты взаимодействия оксидов металла и оксидов формовочных материалов; 3) термический, в котором цементирующим веществом являются легкоплавкие составляющие формовочных материалов. Подобное разделение пригара является весьма условным, так как в реальных производственных условиях в пригарной корке всегда наблюдаются признаки всех вышеперечисленных видов. Механический пригар образуется вследствие проникновения расплавленного металла в поры формы. Механизм образования данного вида пригара можно представить следующим образом. 33 Поступая в форму, жидкий металл соприкасается со стенками фор- мы и охлаждается, в результате чего на поверхности отливки обра- зуется затвердевшая корочка, толщина которой зависит от темпера- туры заливаемого металла, температуры и теплоаккумулирующей способности формы и некоторых других факторов. Если отливка тонкостенная, то количество теплоты, выделяющейся при кристал- лизации отливки, недостаточно для того, чтобы вновь расплавить первоначально образовавшуюся корку и обеспечить более длитель- ный контакт жидкого металла со стенками формы. В этих условиях механический пригар образоваться не может. Если же в аналогич- ных условиях заливают толстостенную отливку, то под действием теплоты затвердевающей отливки образовавшаяся вначале корка вновь расплавляется и жидкий металл входит в контакт со стенками формы. Когда прилегающие к отливке слои формы нагреваются до температуры ликвидуса заливаемого сплава, проникновение неокисленного металла при определенных условиях становится воз- можным, что приводит к образованию механического пригара. Химический пригар возникает в результате химического взаимо- действия отливки и материалов литейной формы. Процесс образо- вания химического пригара условно разделяется на три этапа: окис- ление поверхности металла, смачивание поверхности формы окси- дами металла, образование соединений между оксидами металла и оксидами формы (образование промежуточного соединения при- гарного слоя). Термический пригар возникает вследствие оплавления материа- ла формы под воздействием теплоты заливаемого металла и на по- верхности отливки представляет собой спекшуюся массу формо- вочной или стержневой смеси. Одним из средств предотвращения образования всех видов прига- ра на поверхности отливок является противопригарное покрытие – краска, которая наносится на формообразующую поверхность фор- мы или стержня, препятствуя взаимодействию жидкого металла с материалом формы. В состав противопригарных красок входят огнеупорный наполнитель, связующий материал, стабилизатор и антисептическое вещество. Огнеупорный наполнитель должен отвечать следующим требова- ниям: достаточно высокая огнеупорность, неспособность смачивать- ся расплавом, химическая устойчивость при высоких температурах, 34 инертность к расплаву и его оксидам и высокая дисперсность. В качестве огнеупорных наполнителей могут использоваться угле- родные, минеральные и комплексные материалы. Из углеродистых материалов применяют графит аморфный и кристаллический, дре- весный и каменный уголь, кокс. Из минеральных наполнителей – тальк, пирофиллит, хромит, хромомагнезит, шамот, маршалит, маг- незит, циркон, дистен-силиманит, корунд и некоторые другие. Комплексные наполнители – это композиционные материалы, со- держащие минеральные и углеродистые составляющие, такие как тальк с графитом или коксом, пирофиллит с графитом и др. Использование в составах противопригарных красок того или иного наполнителя зависит в первую очередь от вида сплава, зали- ваемого в форму, и его температуры плавления. Для чугунов при- меняют углеродистые и комплексные материалы. Для углеродистых и легированных сталей, магнитных сплавов – минеральные напол- нители средней и высокой огнеупорности. Для алюминиевых спла- вов – углеродистые и огнеупорные минеральные и комплексные наполнители. Для обеспечения надежного сцепления красочного слоя с по- верхностью формы или стержня в составах противопригарных кра- сок используются связующие материалы. В качестве связующих компонентов применяют материалы органического происхождения (декстрин, ПВА, лигносульфонаты, фурановые смолы и др.), кото- рые обеспечивают получение эластичных пленок при формирова- нии противопригарных покрытий. Однако общим недостатком свя- зующих этого класса является низкая термостойкость (до 500 оС), что ограничивает их использование при изготовлении крупных чу- гунных и, особенно, стальных отливок. Поэтому когда необходима повышенная термостойкость противопригарного покрытия, в каче- стве связующего следует применять неорганические или органоми- неральные (кремнийорганические) пленкообразующие вещества. Растворители противопригарных покрытий предназначены для создания дисперсной среды, в зависимости от вида которой все краски подразделяются на водные (растворитель – вода), требую- щие сушки, и самовысыхающие (органические растворители – аце- тон, спирт, бензин и др.), твердение которых происходит за счет быстрого испарения растворителя. 35 С целью равномерного распределения огнеупорного наполните- ля по всему объему в состав противопригарных красок в обязатель- ном порядке вводятся стабилизаторы – материалы, способные обра- зовывать пространственную структуру в дисперсной среде. В каче- стве стабилизатора используют бентонитовую глину, карбокси- метилцеллюлозу (КМЦ), полиакриламид, крахмалит, поливинило- вый спирт и др. Для предотвращения протекания микробиологических процессов в водных красках с органическими связующими материалами в их состав вводятся добавки – антисептики. В качестве такой добавки обычно используется формалин. Порядок выполнения работы Приготовить противопригарную краску, состоящую из 40 % (по массе) дистен-силлиманита, 2 % бентонита, 6 % ПВА и 52 % воды. Порядок приготовления: в стеклянный стакан залить 260 мл воды и 30 г ПВА, поставить его в миксер и перемешивать в течение 2 мин. Затем при включенном миксере постепенно добавить 10 г глины и 200 г дистен-силлиманита. Время перемешивания 10 мин. Объем краски 450–500 мл. Определить плотность краски с помощью денсиметров. Для это- го приготовленную краску налить в стеклянный цилиндрический сосуд и опустить в него денсиметр так, чтобы он не касался стенок сосуда. По делениям денсиметра определить величину плотности. Вискозиметром ВЗ-4 определить условную вязкость противопри- гарного покрытия. Для этого плотно закрыть выходное отверстие вискозиметра и заполнить его емкость краской. Открыть выходное отверстие вискозиметра и с помощью секундомера определить время истечения исследуемого материала из вискозиметра. За условную вязкость принимают время истечения краски сплошной струей. Для определения прочности красочного слоя к истиранию на кварцевую пластину нанести исследуемую краску путем наливания ее на поверхность пластины, расположенной под углом 45о к гори- зонту. Пластину с нанесенным красочным слоем поместить в су- шильный шкаф и сушить при температуре 105–110 оС до полного вы- сыхания красочного слоя. После охлаждения пластины с покрытием микрометром замерить толщину пластин с покрытием и толщину са- мой пластины. Рассчитать толщину красочного слоя. 36 Установить пластину с нанесенным покрытием на подставку 3 прибора для определения прочности красочного слоя к истиранию (рис. 5.1) так, чтобы расстояние от выходного отверстия сопла воронки 1 до пластины 2 было 70 мм. Открыть сопло воронки, через которое песок фракцией 02 осыпается на пластину с покрытием до тех пор, пока покрытие в месте удара песка со- трется до стекла (диаметр прорыва – 2,0–2,5 мм), после чего закрыть сопло пробкой. Весь прошедший через сопло песок взвешивают и по формуле П , кг/мм,m h  где m – масса песка, прошедшего через сопло, кг; h – толщина красочного слоя, мм, рассчитывают значение прочности красочного слоя к истиранию. Седиментационную устойчивость краски определяют через 1 и 4 ч после приготовления, для чего ее наливают в мерный цилиндр (200 мл) и оставляют в покое на указанное время. По истечении времени из- меряют отстоявшийся слой растворителя, который и будет мерой седиментационной устойчивости. Результаты работы заносят в таблицу. Содержание отчета 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Методика проведения работы. 5. Результаты работы. 6. Выводы. Рис. 5.1. Схема определения прочности противопригарных покрытий к истиранию 37 Вопросы для самопроверки 1. Что такое пригар? 2. Какие виды пригара могут образовываться на поверхности отливок? 3. Механизмы образования пригара. 4. Меры предотвращения образования пригара. 5. Что входит в состав противопригарных красок? 6. Каким свойствам должен отвечать огнеупорный наполнитель? 7. Разновидность огнеупорных наполнителей. 8. Роль связующего материала в краске и его разновидности. 9. Свойства краски и методика их определения. 38 Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОРМОВОЧНОЙ СМЕСИ Цель работы: экспериментальное определение зависимости ос- новных технологических свойств песчано-глинистой формовочной смеси от ее влагосодержания. Приборы и материалы: лабораторные бегуны, лабораторный копер, прибор для определения влажности, прибор для определения прочности, прибор для определения газопроницаемости, твердомер для сырых образцов, гильза с вкладышем для изготовления ступен- чатого стандартного образца, прибор для определения осыпаемости, кварцевый песок, глина бентонитовая, весы лабораторные с преде- лом взвешивания 1 кг и погрешностью ±500 мг. Общие сведения Одним из важнейших факторов, обеспечивающих получение ка- чественных отливок, является приготовление стабильной формо- вочной смеси, имеющей требуемый уровень физико-механических и технологических свойств. Добиться этого можно только при условии правильного выбора исходных компонентов смеси и опти- мального их соотношения, рационального использования эффек- тивных методов подготовки и приготовления смеси, высокого уровня автоматизации и непрерывного оперативного контроля ка- чества смеси на всех этапах ее подготовки и приготовления. Более 70 % отливок в литейном производстве изготавливается с применением песчано-глинистых формовочных смесей (ПГС). Свойства этих смесей практически полностью определяются харак- теристиками и соотношением трех основных компонентов: напол- нителя (как правило кварцевого песка), формовочной глины (бенто- нитовой или коалинитовой) и воды. Влажность ПГС при заданном составе является параметром, определяющим важнейшие физико- механические и технологические свойства смеси (прочность, осы- паемость, газопроницаемость, текучесть, уплотняемость, формуе- мость и др.). При этом каждый состав формовочной смеси имеет 39 свой оптимальный диапазон влагосодержания, обеспечивающий наилучшее сочетание свойств смеси: максимальную прочность, низкую осыпаемость, высокую газопроницаемость при хорошей уплотняемости и удовлетворительной текучести. Прочность при сжатии во влажном состоянии является одной из основных характеристик песчано-глинистых смесей, применяемых для изготовления сырых форм. На прочность во влажном состоянии наиболее существенно влияют минералогический состав глин, дис- персность глинистых частиц, емкость и состав обменного комплек- са. Прочность ПГС во влажном состоянии обусловлена физически- ми и физико-химическими силами взаимодействия материала зер- новой основы, глины и воды. Основой прочности смеси являются водородные связи, однако в формировании прочности также при- нимают участие силы поверхностного натяжения воды, капилляр- ные силы и силы межмолекулярного взаимодействия. Водородные связи возникают между атомами водорода и атомами наиболее электроотрицательных элементов, в частности кислорода. При на- личии мощных водородных связей физические силы взаимодей- ствия обычно отходят на второй план. Водородные связи возника- ют непосредственно между гидроксилированными слоями частиц наполнителя, а также между ними и слоями атомов базальтных по- верхностей глинистых частиц. В процессе перемешивания и уплотнения смеси происходят раз- рыв одних водородных связей и образование других. Аналогично может быть представлено взаимодействие зерен диоксида кремния с монтмориллотитом или другим глинистым минералом. В сырых формах в смеси находятся свободные молекулы воды, и чем больше слоев таких молекул, тем меньше прочность смеси во влажном со- стоянии. Поэтому при приготовлении смесей для сырых форм важ- ным является оптимальное соотношение глины и воды, неодинаковое для глин разной минералогической природы и различного грануло- метрического состава. Это соотношение для каждой новой партии глин следует определять опытным путем. На рис. 6.1 приведены за- висимости физико-механических свойств ПГС от ее влажности. 40 Рис. 6.1. Изменение физико-механических свойств смеси в зависимости от ее влажности: 1 – прочность смеси на сжатие; 2 – осыпаемость; 3 – газопроницаемость; 4 – текучесть Как видно из рис. 6.1 (кривая 1), недостаток влаги обусловливает неэффективное использование глины, что не позволяет получить максимальную прочность смеси при данном глиносодержании. Увеличение содержания воды до 4 % позволяет полностью активи- зировать водородные связи, возникающие между слоями частиц наполнителя и слоями базальтных поверхностей глинистых частиц. Дальнейшее увеличение влажности (свыше 4 %) приводит к сниже- нию прочности смеси из-за образования избытка слоев свободных молекул воды, которые снижают прочность водородных связей. Аналогичный эффект наблюдается и при изучении текучести ПГС (см. рис. 6.1, кривая 4). Газопроницаемость формовочных смесей при увеличении их влажности снижается (см. рис.6.1, кривая 3). Порядок выполнения работы Приготовить 2 кг смеси, состоящей из 95 частей кварцевого пес- ка и 5 частей бентонитовой глины, перемешивая их в течение 2 мин в лабораторном катковом смесителе. Затем добавить 80 мл воды и перемешивать увлажненную смесь в течение 10 мин. Определить влажность полученной смеси, для чего подготовить навеску смеси 50±0,1 г в специальной чаше и установить ее в при- 41 бор для определения влажности. Температура в приборе находится в пределах 105–110 оС. По истечении 30 мин чашку с навеской вы- нимают, охлаждают и взвешивают, затем опять помещают в прибор и высушивают в течение 15 мин до постоянной массы. Влажность смеси определяют формулой 1 2 1 100 %,m mW m   где m – масса навески, г; m2 – масса после высушивания, г. Одновременно сушат три образца. Из приготовленной смеси изготовить шесть образцов в цилин- дрической гильзе диаметром 50 и высотой 50±1 мм на лаборатор- ном копре трехкратным ударом груза и не извлекая образцы из гли- ны испытать их на газопроницаемость. После этого извлечь образ- цы из гильзы и три образца испытать на прочность при сжатии в сыром состоянии и три образца – на осыпаемость. В цилиндрической гильзе с вкладышем изготовить три ступенча- тых образца и определить текучесть смеси по методике, представ- ленной в лабораторной работе № 4. Повторить все испытания, приведенные выше, на смесях, содер- жащих 60 и 100 мл воды, при том же количестве кварцевого песка и бентонитовой глины. По результатам работы построить графические зависимости вли- яния влажности смеси на прочность при сжатии в сыром состоянии, газопроницаемость, текучесть и осыпаемость. Содержание отчета 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Методика проведения работы. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 42 Вопросы для самопроверки 1. Что входит в состав ПГС? 2. Перечислите основные физико-механические свойства формо- вочных смесей. 3. Как определяется влажность смесей? 4. Объясните изменение значений сырой прочности при различ- ном содержании влаги. 5. Как изменяются газопроницаемость, текучесть, осыпаемость при увеличении содержания влаги в смеси? 43 Лабораторная работа № 7 ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОГО СТЕКЛА И ВРЕМЕНИ ПРОДУВКИ УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕКОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ Цель работы: экспериментальное определение зависимости предела прочности при растяжении образцов из жидкостекольных смесей, отверждаемых углекислым газом, от количества связующе- го материала в смеси и времени отверждения образцов. Приборы и материалы: лабораторный смеситель, лабораторный копер; стержневые ящики для изготовления цилиндрических образ- цов и образцов на разрыв «восьмерок»; прибор для определения прочности; весы лабораторные с пределом взвешивания 500 г и по- грешностью ±10 мл; баллон с углекислым газом; оснащенный ре- дуктором, шлангом и насадками; сухой кварцевый песок; жидкое стекло, вода. Общие сведения Жидкие стекла – это водные растворы щелочных силикатов, относящиеся к водорастворимым неорганическим связующим мате- риалам, которые отличаются относительно низкой стоимостью, до- ступностью и хорошими экологическими показателями. Жидкое стекло для литейного производства (ГОСТ 13079–81) получают из водорастворимых силикатов натрия «мокрым» или «сухим» способом. «Мокрый» способ заключается в том, что про- изводство жидкого стекла осуществляется в автоклаве путем рас- творения материалов на основе кристаллического или аморфного кремнезема в водном растворе едкого натра при давлении пара 1,5–2,5 МПа. Этот процесс весьма длителен и имеет низкие техни- ко-экономические показатели, в связи с чем применимость его в производстве жидкого стекла весьма ограничена. Наиболее широко используется «сухой» способ производства жидкого стекла, осуществляемый в два этапа: первый – производство силикат-глыбы, которое осуществляется на стекольных заводах путем сплавления при температуре 1300–1500 оС кварцевого песка с содой, сульфатом натрия и углем; 44 второй – автоклавное растворение силикат-глыбы в воде при давлении пара 0,4–0,8 МПа. Получаемое таким способом натриевое жидкое стекло представ- ляет собой коллоидный раствор силиката натрия Na2OnSiO2mH2O. Кроме натриевого существует калиевое жидкое стекло, однако в литейном производстве оно не применяется. Основным показателем жидкого стекла, который значительно влияет как на свойства жидкого стекла, так и свойства жидкосте- кольных смесей, является силикатный модуль, определяющий соот- ношение основных компонентов SiO2 и Na2O. Силикатный модуль определяется из выражения 2 2 % SiO 1,0323, % Na O m   где 1,0323 – отношение молекулярной массы оксида натрия к моле- кулярной массе диоксида кремния. Известно, что по мере повышения силикатного модуля растет степень полимеризации кремнекислородных анионов, приводящая при равной плотности к повышению вязкости раствора и увеличе- нию его реакционной способности. Плотность жидкого стекла зависит от химического состава и общего количества растворенных в нем силикатных образований и должна находиться в пределах 1470–1520 кг/м3. При ее снижении в результате увеличения общей влажности смеси возрастает опас- ность образования в отливках газовых раковин, а при повышении затрудняется обволакивание зерен наполнителя. В соответствии с ГОСТ 13078–81 различают три марки содового жидкого стекла (А, Б и В с силикатным модулем соответственно 2,31– 2,6; 2,61–3,0; 3,01–3,5) и две марки содово-сульфатного (А и Б с сили- катным модулем соответственно 2,31–2,6 и 2,61–3,0) жидкого стекла. Уровень силикатного модуля жидкого стекла целесообразно вы- бирать в зависимости от назначения смеси: для крупных форм и стержней с многосуточным циклом произ- водства m = 2,0–2,3; для форм и стержней с циклом производства 1–2 суток m = 2,31–2,6; для небольших форм и стержней в крупносерийном и массовой производстве m = 2,61–3,0. 45 В летний период при повышении температуры воздуха и исход- ных материалов до 30–32 оС живучесть смеси резко падает. В таких случаях рекомендуется работать с жидким стеклом, имеющим по- ниженный модуль, достигать которого можно добавлением в жид- кое стекло 42–48%-го водного раствора NaOH. Стержневые смеси с жидким стеклом, отверждаемые углекис- лым газом, содержат 4,5–5,0 % жидкого стекла (m = 2,3–2,5, ρ = 1400–1420 кг/м3), 0,4–0,8 % (10%-й раствор NaOH) и 3,0–4,0 % до- бавок для увеличения выбиваемости (сланцевые материалы и др.). В формовочные смеси с силикатным связующим дополнительно вводят 4,0–5,0 % глинистого связующего материала для придания смеси сырой прочности. Живучесть смеси для СО2-процесса – обычно 3–4 ч, но лучшие результаты свойств достигаются при использовании смеси сразу же после ее приготовления, которое можно осуществлять практически в любых смесителях непрерывного или периодического действия. Отверждение при взаимодействии углекислого газа и жидкого стекла проходит по реакции 2 2 2 2 2 3 4 2Na O 2SiO CO 6H O Na CO 2Si(OH) 2H O,aq aq        в результате чего образуется твердый силикагель 2Si(OH)4·aq·2H2O, связывающий зерна наполнителя и придающий стержням и формам сухую прочность. Удельный расход СО2 обычно составляет 0,5–1,5 дм3 на 1 г жид- кого стекла. Отверждение стержней осуществляется в контакте с оснасткой, а форм, как правило, – после извлечения модели. Смеси, продутые углекислым газом, гигроскопичны, так как продукты отверждения – карбонаты (Na2CO3) и силикагель (2Si(OH)4·aq·2H2O) – гидрофильны и частично растворимы в воде. Поглощение влаги из воздуха при хранении готовых форм и стерж- ней приводит к снижению их прочности. Большим недостатком жидкостекольных смесей является затруд- ненная выбиваемость после их прогрева до высоких температур. Для улучшения выбиваемости применяют различные органические и минеральные доавки. 46 Каждая группа студентов приготавливает и изучает один номер смеси, приведенный в табл. 7.1. Таблица 7.1 Составы жидкостекольных смесей № п/п Содержание кварцевого песка, % Содержание жидкого стекла, % 1 96 4 2 95 5 Порядок выполнения работы 1. Рассчитать компоненты на 2 кг смеси и приготовить смесь в ла- бораторном смесителе. Продолжительность перемешивания 3 мин. 2. Приготовить девять образцов «восьмерок» для определения прочности при растяжении. Образцы изготавливаются в специаль- ном разъемном стержневом ящике. Навеску смеси массой 110–120 г засыпают в сборный ящик и уплотняют с помощью лабораторного копра трехкратным ударом груза. Избыточный слой смеси, который не должен превышать 3 мм, срезают специальным ножом, установ- ленном в ящике, без заглаживания. 3. Продуть по три образца углекислым газом в течение 15, 30 и 45 с. Для этого отрегулировать с помощью редуктора давления – газа в пределах 0,15–0,17 МПа и приложить насадку шланга к по- верхности ящика. 4. Определить прочность образцов при растяжении, для чего установить образец в соответствующее приспособление прибора и разрушить. Результат испытания фиксируется прибором в мега- паскалях. 5. По окончании работы обменяться результатами исследования каждой группы и данные свести в табл. 7.2. Таблица 7.2 Результаты исследований № п/п Содержание жид- кого стекла, % Время продувки СО2, с 15 30 45 1 4 2 5 47 Содержание отчета 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Методика проведения работы. 5. Результаты работы. 6. Выводы. Вопросы для самопроверки 1. Что представляет собой связующее – жидкое стекло? 2. Как получают жидкое стекло? 3. Что такое модуль жидкого стекла и как он определяется? 4. На какие физико-механические параметры жидкостекольных смесей влияет модуль? 5. Какие марки жидкого стекла используются в литейных цехах? 6. Как выбирается необходимый модуль жидкого стекла? 7. Что входит в состав смеси для СО2-процесса? 8. Что происходит с жидкостекольным связующим при продувке смеси углекислым газом? 9. Преимущества и недостатки жидкостекольных смесей. 48 Лабораторная работа № 8 ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЖИДКИХ САМОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ Цель работы: экспериментальное изучение технологии получе- ния и свойств жидких самотвердеющих смесей (ЖСС) в зависимо- сти от содержания исходных компонентов. Приборы и материалы: лабораторный смеситель для приготов- ления ЖСС; миксер для приготовления жидкой композиции; стерж- невые ящики для изготовления стандартных образцов; прибор для определения прочности стандартных образцов, технические весы с пределом взвешивания 500 г и погрешностью ±100 мг; сухой кварцевый песок марок (1-2)К1-2О1-2 (02–025); жидкое стекло плот- ностью 1450–1500 кг/м3 и модулем 2,4–2,6; феррохромовый шлак; ПАВ; вода; графит кристаллический; керосин. Общие сведения Большинство известных способов изготовления форм и стерж- ней основано на применении принципа уплотнения смесей под дей- ствием приложения внешних нагрузок. Совершенно иные техноло- гические решения заложены при использовании жидких самотвер- деющих смесей, которые сочетают в себе свойства жидкости, позволяющей получать формы и стержни свободной заливкой, и способность затвердевать на воздухе в заданное время. Основные преимущества этой технологии следующие: – резко уменьшается трудоемкость изготовления форм и стержней; – производительность труда повышается в три–четыре раза; – отпадает необходимость в длительной сушке форм и стержней; – появляется возможность комплексно механизировать и автома- тизировать изготовление форм и стержней в условиях индивиду- ального и мелкосерийного производства; – прочность формируется по всему объему формы или стержня; – повышается точность форм и стержней, что позволяет умень- шить припуски на механическую обработку отливок; – в два–три раза увеличивается срок службы модельной оснастки; 49 – улучшаются санитарно-гигиенические условия труда на участ- ках изготовления форм и стержней. Составы жидких самотвердеющих смесей приведены в табл. 8.1. Таблица 8.1 Составы ЖСС Наименование компонента Содержание компонентов, % в смеси Облицовочная смесь Наполнительная смесь Стержневая смесь Песок кварцевый (1-2)К(1-2)О(1-2)(02-025) 57,0–66,5 58,0–67,0 94,0–96,5 Регенерированный песок 30,0–37,0 30,0–37,0 – Феррохромовый шлак 3,0–5,0 3,0–5,0 3,0–5,0 Добавка для улучшения выби- ваемости 0,5–1,0 – 0,5–1,0 Жидкая композиция (сверх 100 %) Жидкое стекло 6,0–7,0 4,0–5,0 7,5–8,5 10%-й раствор NaOH 0,2–0,3 0,2–0,3 0,2–0,3 ПАВ (РАС, КЧНР и др.) 0,05–0,1 0,005–0,1 0,05–0,1 В состав жидкой композиции вводится вода до плотности 1280–1320 кг/м3. Свойства жидкости смесь приобретает в результате введения в ее состав поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поверхностная активность ПАВ определяется особенностями мо- лекулярного строения вещества. Для всех ПАВ типичной является резко выраженная асимметричность молекулярной структуры. Моле- кула состоит из двух значительно отличающихся по свойствам частей: полярной гидрофильной группы с большим молекулярным сродством к воде – на одном конце молекулы, и длинной неполярной углеводо- родной группы – на другом (рис. 8.1, а). Полярные группы молекул ПАВ чаще всего бывают представлены в виде –ОН, –NH2, –COOH, SO2OH, SO3Na и др. Такая особенность строения молекул ПАВ опре- деляет и способность самопроизвольно адсорбироваться из раство- ров на различных поверхностях раздела жидких и газообразных фаз (рис. 8.1, б). Адсорбция ПАВ на границе раздела «жидкость–газ» 50 приводит к снижению поверхностного натяжения растворов и прояв- ления таких характерных свойств, как пенообразование (рис. 8.1, в). Рис. 8.1. Схема строения дифильной молекулы ПАВ (а), ориентации молекул ПАВ на поверхности воды (б) и образование пены (в) Возникающие при перемешивании смеси пузырьки пены распо- лагаются между зернами песка (рис. 8.2), разобщают их, снижая тем самым трение между песчинками и сводя до минимума влияние шероховатости поверхности наполнителя. Когда пространство меж- ду зернами наполнителя заполнится пузырьками пены, смесь стано- вится жидкоподвижной и ее можно заливать в форму или стержне- вой ящик. Рис. 8.2. Схема ориентации молекул ПАВ вокруг зерен пески, частиц шлака в жидкой смеси 51 После заливки ЖСС в форму или стержневой ящик по истечении некоторого времени происходит гашение пены и смеси твердеют на воздухе. При этом равномерно по всему объему постоянно уве- личивается прочность. Отверждение происходит вследствие взаи- модействия жидкого стекла и феррохромового шлака (ФХШ), со- держащего в своем составе γ 2CaSiO2, в результате чего образуется сложный гидросиликат (Na2O)m·(CaO)n·(SiO2)p·(H2O)q, являющий- ся основной структурообразующей фазой. Отличительная особен- ность ЖСС – высокая газопроницаемость, особенно после отвер- ждения в течение 24 ч, когда из смеси полностью исчезает пена, а образованные пеной поры являются причиной высокой газопрони- цаемости смеси. Свойства жидких самотвердеющих смесей представлены в табл. 8.2. Таблица 8.2 Свойства жидких самотвердеющих смесей Параметр смеси Время отвержде- ния, ч Физико-механические свойства ЖСС облицовочной наполнитель-ной стержневой Текучесть, мм – 120–125 105–110 130–135 Устойчивость пены, с – 360–420 300–350 420–600 Влажность, % – 4,5–5,0 5,0–5,6 5,0–5,6 Прочность на сжатие, МПА 1 0,09–0,12 0,03–0,05 0,15–0,20 3 0,25–0,30 0,13–0,15 0,35–0,45 24 0,45–0,60 0,30–0,35 0,60–1,20 Газопроницаемость, ед. 1 150–200 100–120 200–250 3 200–230 180–200 300–350 24 300–340 300–340 400–450 Работа выбивки после прокалки при темпе- ратуре 800 С, Дж – 30–45 30–35 40–60 Подвижность ЖСС характеризуется текучестью, которая зависит от эффективности процесса пенообразования при перемешивании смеси. Поэтому конструктивные особенности агрегатов для приго- товления смеси должны обеспечивать не только хорошее переме- шивание, но и достаточно интенсивное вовлечение в смесь воздуха. Этим условиям в наибольшей степени отвечают лопастные смеси- тели периодического или непрерывного действия. 52 Порядок приготовления ЖСС следующий: вначале перемешива- ются сухие компоненты – песок и ФХШ в течение 60–80 с, затем в смеситель подается жидкая композиция, которая приготавливает- ся в специальной мешалке с непрерывным перемешиванием и после приобретения смесью подвижности смесь заливается в форму или стержневой ящик. Порядок выполнения работы Приготовить 3 кг смеси, состав которой приведен в табл. 8.3 и назначается преподавателем. Порядок приготовления смеси сле- дующий: в смеситель загружаются песок и ФХШ и перемешивают- ся в течение 60 с, затем вводится предварительно приготовленная на миксере жидкая композиция и процесс перемешивания продол- жается в течение 120–180 с до получения жидкоподвижной смеси. Таблица 8.3 Составы ЖСС № сме- си Кварцевый песок Феррохромовый шлак Жидкое стекло* ПАВ* Вода* 1 95 5 4 0,15 2,0 2 95 5 6 0,15 2,0 3 95 5 8 0,15 2,0 Приготовленную смесь заливают в стержневые ящики, предва- рительно покрытые разделительным покрытием. Каждая группа студентов приготавливает один состав смеси, приведенный в табл. 8.3. Образцы для испытания физико-механических составов выдер- жать в стержневых ящиках в течение 1200 с и после истечения тре- буемого времени (1, 3, 24 ч) испытывать на прочность и газопрони- цаемость. Результаты испытаний занести в табл. 8.4 и построить графиче- скую зависимость влияния состава смеси на прочность и газопро- ницаемость. * Компоненты берутся сверх 100 % и вводятся в смесь песка и ФХШ в виде предварительно приготовленной жидкой композиции. 53 Таблица 8.4 Результаты испытаний № смеси Время твердения, ч 1 2 24 1 3 24 Прочность, МПа Газопроницаемость, ед. 1 2 3 Содержание отчета 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Методика проведения работы. 5. Результаты работы. 6. Выводы. Вопросы для самопроверки 1. Преимущества ЖСС в сравнении с ПГС. 2. Особенности строения ПАВ. 3. Почему ЖСС приобретает свойства жидкости? 4. Что входит в состав ЖСС? 5. Как определяется текучесть ЖСС? 6. Как влияет количество жидкого стекла в ЖСС на прочность и газопроницаемость? 54 Лабораторная работа № 9 ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТЕРЖНЕЙ В НАГРЕВАЕМОЙ ОСНАСТКЕ Цель работы: изучить технологический процесс изготовления стержней в нагреваемой оснастке. Приборы и материалы: лопастной смеситель; прибор для изго- товления образцов в нагреваемой оснастке; прибор для определения прочности на разрыв; весы лабораторные с пределом взвешива- ния 500 г с погрешностью ±100 мл; набор посуды для жидких и сы- пучих компонентов; компрессор; сухой кварцевый песок марок (1-2)К1-2О1-2 (02-025); фенолоспирт. Общие сведения В массовом и крупносерийном производстве стержней I–III групп сложности для отливок из различных сплавов используется Hot-box-процесс. Принципиальной особенностью этого процесса является отвер- ждение стержней и приобретение ими высоких технологических свойств в течение 1–5 мин непосредственно в стержневом ящике. Сущность процесса заключается в том, что нагретый до 180–300 С металлический стержневой ящик заполняется быстротвердеющей под действием тепла песчано-смоляной смесью, которая при кон- такте с нагретой рабочей поверхностью ящика затвердевает. По ис- течении времени, необходимого для отверждения стержней, стерж- невой ящик раскрывается и из него извлекается готовый к установ- ке в форму стержень. При этом удаление стержня из ящика производится до наступления полного отверждения стержня по всему его сечению. Извлечение производится, как только образо- вался достаточно прочный наружный слой, обеспечивающий воз- можность удаления стержня из ящика без разрушения. В этом слу- чае внутренняя часть стержня доотверждается на воздухе за счет действия аккумулированного стержнем тепла. В настоящее время имеется множество смесей для изготовления стержней в нагреваемой оснастке, огнеупорную основу которых 55 составляет сухой среднезернистый кварцевый песок, на 100 % (по массе) которого в типовом составе смеси используются: смоляной связующий материал – 1,5–3,0 % (по массе); катализатор – 0,2–0,5; специальные добавки – 0,4–2,0 %. Выбор типа и количество связующего зависят от многих факто- ров, основные из которых – вид сплава отливки, геометрические размеры стержня, технологически необходимая скорость отвержде- ния, прочностные показатели стержня и др. Для реализации этой технологии используются любые смоляные связующие материалы, описанные в лабораторной работе № 10. Однако применение каждого из них имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Так, смеси, содержащие карбамидофор- мальдегидные связующие, обладают достаточно высокой реакцион- ной способностью, но из-за низкой термостойкости в отвержденном состоянии рекомендуются для изготовления преимущественно алюминиевых отливок. Фенолформальдегидные смолы обладают рядом достоинств, главные из которых – высокая термостойкость, отсутствие азота, невысокая стоимость, поэтому они нашли применение для произ- водства стержней как для чугунных, так и стальных отливок. Из этого класса связующих наиболее часто применяют фенолоспирт (СФ-480, СФ 3042 и др.). Карбамидоформальдегидно-фурановые смолы (фуритол-80, КФ-40, КФ-90, БС-40) являются наиболее реакционноспособными. Стержни, изготовленные на этих связующих, обладают высокой прочностью и достаточно большой гидро- и термостойкостью. Однако из-за наличия азота они применяются в основном для изго- товления стержней чугунных отливок. Фенолкарбамидоформальдегидные смолы являются промежуточ- ными между феноло- и карбамидоформальдегидными, имеют улуч- шенную гидро- и термостойкость по сравнению с карбамидными и более высокую реакционную способность по сравнению с феноль- ными. Применяются для изготовления стержней крупных отливок. Основные виды катализаторов (КЧ-32, КЧ-41, К4-51) представ- ляют собой водные растворы солей кислот, устойчивых при нор- мальных температурах. При повышении температуры эти соли в водном растворе (вода содержится в смоле, песке, катализаторе) 56 диссоциируют с образованием сильных кислот, что способствует ускорению процесса отверждения стержней. Для придания стержневым смесям требуемых физико- механических и теплофизических свойств в их составах используют специальные добавки: серебристый графит – для увеличения теплопроводности; стеорат цинка или кальция – для уменьшения прилипаемости стержней к горячей оснастке и увеличения текучести смеси; этиловый спирт – для увеличения живучести смеси; оксиды железа – для предотвращения образования просечек. Приготовление смеси осуществляется путем перемешивания компонентов, как правило в лопастном смесителе. Из-за довольно высокой вязкости связующих предпочтительно производить пере- мешивание смеси в оборудовании, имеющем скорость вращения вала не более 30 об/мин. Готовая смесь надувается либо настрели- вается в нагретую стержневую оснастку и отверждается в ней. Поскольку смолы, применяемые для Hot-box-процесса, являются поликонденсационными, то при нагревании смеси происходит ре- акция поликонденсации между исходными мономерами с образова- нием полимера и воды. Процесс протекания реакции поликонденса- ции подробно рассмотрен в лабораторной работе № 10. Порядок выполнения работы Каждая группа студентов приготавливает и исследует один со- став смеси, содержащий 2, 3 и 4 % связующего материала. Рассчитать составляющие на 0,7 кг смеси и приготовить смесь на приборе модели 4740. Смесь выгрузить в бункер и установить его на предварительно нагретый до температуры 250 С стержне- вой ящик прибора модели 4735. Вдуть смесь в стержневой ящик и выдержать ее в ящике заданное в табл. 9.1 время, раскрыть ящик и извлечь отвержденные образцы. Образцы выдержать на воздухе в течение 10 мин и приступить к определению предела прочности при разрыве. По окончании работы результаты всех испытаний занести в табл. 9.1. 57 Таблица 9.1 Результаты испытаний Содержание связующего, % Прочность, МПа, при времени отверждения, мин 1,0 1,5 2,0 2,5 2,0 3,0 4,0 Оформить результаты всех испытаний в виде графической зави- симости прочности от количества связующего материала и времени отверждения. Содержание отчета 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Методика проведения работы. 5. Результаты работы. 6. Выводы. Вопросы для самопроверки 1. Сущность Hot-box-процесса. 2. Что включает в себя типовой состав смеси для Hot-box- процесса? 3. Какие связующие применяются для данного процесса? 4. Для чего применяются катализаторы составе смеси для Hot- box-процесса? 5. Какие специальные добавки вводятся в смесь и каково их назначение? 6. Как влияют количество связующего и время выдержки смеси в стержневом ящике на прочностные свойства образцов? 58 Лабораторная работа № 10 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛИЧЕСТВА СВЯЗУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА И ОТВЕРДИТЕЛЯ НА КИНЕТИКУ ТВЕРДЕНИЯ ХОЛОДНОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ Цель работы: экспериментальное изучение процесса тверде- ния холоднотвердеющих смесей (ХТС). Приборы и материалы: прибор модели 4740 для изготовления стандартных образцов из ХТС; прибор для испытания образцов на прочность; стержневые вытряхные ящики для изготовления стандартных образцов; лабораторные весы с пределом взвешива- ния 500 г с погрешностью ±100 мг; фенолформальдегидный связу- ющий материал; ортофосфорная кислота; кварцевый песок марок (1-2)К1-2О1-2 (02-025); керосин; серебристый графит. Общие сведения Современные способы изготовления стержней основаны на ис- пользовании в качестве связующих материалов синтетических по- ликонденсационных смол и композиций на их основе. В зависимости от типа отверждения они подразделяются на сле- дующие виды: – холодного отверждения в оснастке в присутствии жидких ка- тализаторов или отвердителей; – холодного отверждения в оснастке под действием газовых реа- гентов; – отверждения в нагреваемой горячей (Hot-box или тепловой Warm-box) оснастке; – теплового отверждения вне оснастки (конвективная сушка, ТВЧ или СВЧ-сушка, инфракрасное излучение и др.). Большинство смоляных связующих получают в результате реак- ции поликонденсации между исходными мономерами (табл. 10.1). В общем случае синтез литейных связующих проводят между фе- нолом, карбамидом или фуриловым спиртом и формальдегидом. 59 Таблица 10.1 Структурная характеристика смол Исходные мономеры Класс смол Строение структурного звена 1 2 3 ОН Фенол  O Формальдегид НС H Фенолформаль- дегидная (фенольная) OH OH CH2  NH2C NH2 Карбамид  O Формальдегид Карбамидоформальде- гидная (карбамидная) NH2C NH  CH2 O CH Фенол Карбамид Формальдегид Фенолкарбамидофор- мальдегидная (феноло- карбамидная) OH OH CH   CH2 NH  CH C = O NH2  CH2 Фенол Формальдегид CH2OH Фуриловый спирт Фенолформальде- гидно-фурановая (фенолофурановая) OH OH CH  CH2 O CH2 О 60 Окончание табл. 10.1 1 2 3 Карбамид Формальдегид Фуриловый спирт Карбамидоформаль- дегидно-фурановая (карбамидофурановая) O CH2 NH  CH C = O NH2  CH2 Карбамид Фенол Формальдегид Фуриловый спирт Карбамидофенол- формальдегидно- фурановая (карбами- дофенолофурановая) OH OH CH  CH2 О CH2 NH  CH C NH2  CH2 Образующиеся метиленовые (–СН2–) или диметилэфирные (–СН2–О–СН2–) связи являются своеобразными мостиками для формирования структурных звеньев олигомеров (основных продук- тов реакции), формирующих адгезионную и когезионную проч- ность в процессе отверждения стержней и форм, содержащих орга- нические связующие материалы. В процессе синтеза смол реакции до конца не доводят, получая продукты низкомолекулярной массы (не более нескольких тысяч). Смолы в таком состоянии называют олигомерами (или преполиме- рами). Перевод олигомеров в полимеры (конечные синтетические продукты, макромолекулы которых имеют молекулярную массу, равную десяткам и сотням тысяч) в литейном производстве 61 осуществляется непосредственно в технологических процессах по- лучения литейных форм и стержней. Основными процессами, протекающими при отверждении смол, являются полимеризация или поликонденсация. Необходимое усло- вие этих реакций – наличие в молекулах исходных веществ актив- ных частей – групп атомов (или отдельных атомов), называемых функциональными. Из используемых в литейном производстве наиболее часто встречаются следующие функциональные группы: Н (водородная); ОН (гидроксильная); О С (альдегидная); Н С6Н4ОН (фенольная); =СН2 (метиленовая); СН2ОН (метилольная). Последовательность процесса поликонденсации на примере фе- нолформальдегидной смолы упрощенно можно представить следу- ющим образом. При повышенной температуре (220–270 С) или в основной сре- де (рН > 7) происходит взаимодействие между фенолом и формаль- дегидом с образованием ортоизомеров и параизомеров оксибензи- лового спирта: Далее метилольные группы одних молекул о-оксибензилового спирта в кислой среде или при повышенной температуре реагируют 62 с атомами водорода в ортоположении других молекул оксибензоло- вого спирта: Образовавшиеся маркомолекулы полиметиленфенола связывают друг с другом метиленовыми мостиками –СН2 благодаря взаимо- действию атомов водорода ортоположения одних молекул с мети- леновыми группами других. Результатом всех реакций является смола с линейной структурой в виде В таких реакциях поликонденсации фенола и формальдегида, протекающих в данных условиях, различают три стадии: резольную (начальная стадия А), резитольную (промежуточная стадия В) и ре- зитную (окончательная стадия С). Резол является жидким растворимым полимером со средней мо- лекулярной массой до 1000. Резитол не плавится, но немного раз- мягчается при температуре 120–150 С, частично растворяется или набухает под действием растворителей. Резит – хрупкий, твердый неплавкий и нерастворимый продукт поликонденсации. Следова- тельно, по мере перехода из одной стадии в другую уменьшаются растворимость и плавкость смолы, она постепенно переходит из жидкого через эластичное в твердое состояние, становится прочной и водостойкой. 63 На стадии А полимер приобретает линейное строение, на стадии В – двумерное, на стадии С – трехмерное пространственное, кото- рое схематически можно представить следующим образом: Как видно, в конечной структуре отвержденного полимера наблюдается существенное количество поперечных связей через ме- тиленовые мостики –СН2, формирующих пространственную трех- мерную структуру. Фенолформальдегидные смолы обладают повы- шенной термостойкостью (400–800 С), поэтому их можно эффек- тивно использовать при получении стальных и чугунных отливок. В качестве катализаторов или отвердителей ХТС наибольшее рас- пространение получили 65–85%-й раствор ортофосфорной кислоты (Н3РО4) и 65–80%-й раствор бензосульфокислоты (БСК). Ортофос- форная кислота применяется при отверждении карбамидоформальде- гидных и карбамидофурановых смол, а БСК – для всех смол. Иногда в ХТС, наряду с основными исходными материалами, применяют и специальные добавки, предназначенные для улучше- ния некоторых технологических свойств, например: увеличение живучести смеси, улучшение противопригарных свойств, податли- вости стержней, предотвращение образования подкорковой газовой пористости, просечек и др. В качестве таких добавок используют, например, соли трехвалентного железа, оксид железа, древесную муку, оксид алюминия, колчедановый огарок. Количество связующего материала в составах ХТС колеблется в пределах 1,5–3,0 % (по массе), катализатора – 0,5–0,6 % от коли- чества связующего материала, а добавки составляют 0,2–1,5 % (по массе). 64 Основной особенностью ХТС является обратная взаимосвязь скорости отверждения и живучести смеси. Поэтому процесс ее при- готовления должен быть максимально кратковременным (3–30 с), после чего смесь следует немедленно использовать для изготовле- ния форм и стержней. Наилучшим образом отвечают этим требова- ниям шнековые смесители непрерывного действия. Порядок выполнения работы Каждая группа студентов исследует два состава ХТС с различ- ным содержанием связующего (соответственно 1,5 и 2,0 %; 2,5 и 3,0 %), образцы которых испытывают на прочность при сжатии через 15, 30, 45 и 60 мин твердения. На приборе модели 4740 приготовить смесь и образцы для опре- деления прочности на сжатие из ХТС следующего состава (масс.%): карбамидно-фурановый связующий материал – 2,5; 3,0 (сверх 100 %); катализатор твердения – 1,2 (сверх 100 %); формовочный песок – 100 %. Образцы после 5-минутной выдержки извлечь из стержневого ящика и определить их прочность на сжатие через 15, 30, 45 и 60 мин твердения. Результаты работы занести в табл. 10.2. Таблица 10.2 Результаты исследования прочности ХТС, МПа Время тверде- ния, мин Количество связующего, % 1,5 2,0 2,5 3,0 15 30 45 60 По результатам исследований построить графические зависимо- сти изменения прочности ХТС от количества связующего материа- ла и времени твердения. 65 Содержание отчета 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Методика проведения работы. 5. Результаты работы. 6. Выводы. Вопросы для самопроверки 1. Разновидности синтетических связующих материалов. 2. Сущность реакции поликонденсации. 3. Какие параметры влияют на процесс отверждения ХТС? 4. Что входит в состав ХТС? 5. Какие стадии проходят синтетически связующие в процессе отверждения и чем они характеризуются? 6. Приготовление ХТС: порядок ввода компонентов смеси; при- меняемое оборудование. 7. Как влияет количество связующего материала на прочностные характеристики ХТС? 66 Учебное издание ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА Лабораторный практикум для студентов специальности 1-36 02 01 «Машины и технология литейного производства» дневной и заочной формы обучения Составители: КУКУЙ Давыд Михайлович СКВОРЦОВ Валерий Александрович Редактор Т. Н. Микулик Компьютерная верстка Ю. С. Кругловой Подписано в печать 02.09.2016. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 3,84. Уч.-изд. л. 3,00. Тираж 100. Заказ 588. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/173 от 12.02.2014. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.